Ольга Галактионова,
начальник оперативно-технологического сектора Северной водопроводной станции, Территориального управления водоснабжения «Северное» филиала «Водоснабжение Санкт-Петербурга», ГУП «Водоканал Санкт – Петербурга»
Татьяна Портнова,
начальник службы главного технолога технического управления филиала «Водоснабжение Санкт-Петербурга», ГУП «Водоканал Санкт – Петербурга»
Алексей Бекренев,
инженер-технолог, ООО «Экострой-Проект»
Илья Мехнецов,
генеральный директор ООО «Экострой-Проект»
На объектах водоподготовки ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» технология использования порошкообразного активированного угля применяется с 2005 года. Достоинствами технологических схем, использующих порошкообразный уголь, являются очень высокая скорость процесса и быстрое достижение равновесного состояния. Модернизация систем приготовления и дозирования угольной пульпы, выполненная на Главной водопроводной станции Санкт-Петербурга в 2017 г., позволила устранить ряд недостатков процесса дозирования и повысить эффективность проведения технологии углевания воды. Дальнейшее повышение эффективности сорбционной очистки воды связано с внедрением автоматических систем контроля качества воды по органическим загрязняющим веществам, что позволит оптимизировать дозы и расходы реагента.
При очистке природных поверхностных вод на водопроводных станциях нередко складывается ситуация, связанная с необходимостью извлечения из воды нехарактерных (специфических) веществ, находящихся в малых концентрациях и иногда обладающих гидрофобными свойствами. К числу таких веществ могут быть отнесены нефтепродукты (смеси углеводородов, масла и др.), органические вещества-одоранты (геосмин и его изомер – геосмин-2, 2-метилизоборнеол, 1-изопропил-2-метоксипиразин), токсичные метаболиты цианобактерий (например, сакситоксины, анотоксины, микроцистины) и т.п. Актуальность вопроса о необходимости контроля и удаления из питьевой воды подобных органических соединений подтверждается данными о наблюдаемом увеличении темпов роста токсигенных видов цианопрокариот, происходящем на фоне повышения среднегодовых температур (изменение планетарного климата) и высокой концентрации биогенных веществ в водоемах [1–3].
Снижение содержания такого рода загрязнений до нормативных требований сводится к решению следующих задач:
- обоснование методов очистки на основе понимания причин появления и механизмов удаления загрязняющих веществ;
- внедрение методов объективного непрерывного контроля качества воды по набору адекватных показателей;
- внедрение автоматизированных систем управления технологическим оборудованием с обязательной системой контроля эффективности производственных процессов, учитывающей затраты на обеспечение гарантированного качества воды, включая оценку необоснованных производственных потерь.
Научные основы сорбционных методов удаления специфических веществ при производстве воды питьевого качества
Эффективное удаление из воды вышеуказанных органических соединений возможно с использованием окислительных или сорбционных технологий. Исследования, проведенные в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» с участием специалистов Санкт-Петербургского Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН в 2005–2007 гг. [4–6], показали, что в случае необходимости удаления микро- и нано-концентраций гидрофобных органических веществ более эффективной оказывается сорбционная технология, которая может быть реализована с использованием дозирования порошкообразных адсорбентов – активированных углей (ПАУ). Высокая избирательная способность по отношению к токсичным органическим соединениям позволяет эффективно удалять их даже в малых концентрациях и в присутствии значительного количества природных гуминовых веществ.
Порошкообразный уголь представляет собой частицы с размерами от 10 до 50 мкм. Введение ПАУ в воду осуществляют на ранних этапах обработки воды на очистных сооружениях, стремясь к тому, чтобы время контакта угля с водой до ввода коагулянта составляло не менее 10–15 мин. Углевание проводят, непрерывно добавляя в воду угольную пульпу. После ввода коагулянта уголь оказывается в составе образующегося хлопка и удаляется из обрабатываемой воды вместе с осадком при отстаивании и фильтрации.
В случае присутствия в сырой воде более высоких – миллиграммовых – концентраций подлежащих удалению органических веществ, например, нефтепродуктов, эффективность сорбционного метода удаления органики снижается вследствие необходимости использования высоких доз угля, а также вследствие конкуренции за центры адсорбции со стороны присутствующих нетоксичных или слаботоксичных органических соединений, прежде всего, гуминовых веществ.
Окислительная технология удаления специфических органических соединений проигрывает в эффективности сорбционной вследствие низкой избирательности, поскольку в этом случае оказывается необходимым окислять не только подлежащие удалению вещества, но и значительные количества нетоксичных органических соединений.
В таблицах 1–4 представлены результаты исследований по удалению веществ-одорантов из модельных растворов при использовании сорбции порошкообразными активированными углями, а в таблице 5 – результаты исследований при использовании окисления раствором перманганата калия.
Сравнение результатов, представленных в табл. 1–5, показывает следующее. Эффективность удаления веществ-одорантов, регистрировавшихся ранее в воде р. Нева (2-метилизоборнеол, геосмин-1, геосмин-2, 1-изопропил-2-метоксипиразин), при дозировании всех исследованных марок ПАУ (Hydraffin SC 14 FF, Hydraffin SC 11, Carbopal MB 4, Carbopal D 900) даже при использовании низкой дозы ПАУ (1 мг/л) оказывается выше, чем при использовании окисления перманганатом натрия с дозой 0,6 мг/л. При увеличении дозы ПАУ до 6 мг/л во всех случаях конечная концентрация всех веществ-одорантов оказывалась ниже предела обнаружения (<0,01 мг/л).
Технология применения порошкообразного активированного угля на объектах водоподготовки ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
В 2005 году технология применения порошкообразного активированного угля была внедрена на сооружениях водоподготовки на тех объектах, где осуществляется очистка воды поверхностных источников водоснабжения. Приоритетным было определено решение задачи гарантированного обеспечения соответствия нормативным требованиям органолептических показателей качества питьевой воды, прежде всего, запаха в период вегетативной активности фитопланктона. Следует отметить, что опыт применения сорбционной технологии потребовал более глубокого изучения причин возникновения рисков в отношении ухудшения качества питьевой воды по показателю «запах» непосредственно у потребителя. Данная задача выходит за рамки настоящей статьи.
Технология производства питьевой воды на сооружениях Главной водопроводной станции предусматривает последовательные технологические процессы:
- сорбцию (периодически в случае возникновения рисков по показателям: «запах», токсичные вещества, нефтепродукты);
- первичное обеззараживание – хлорирование с предварительным аммонированием;
- обесцвечивание воды с применением коагулянта и флокулянта на сооружениях двухступенчатой схемы и коагулянта на сооружениях одноступенчатой очистки;
- осветление посредством седиментации и фильтрации на блоке скорых фильтров и контактной коагуляции на блоке контактных осветлителей;
- вторичное обеззараживание методом ультрафиолетового облучения перед непосредственной подачей питьевой воды в распределительную сеть.
До модернизации на Главной водопроводной станции система ПАУ представляла собой:
- Блок разгрузки и хранения активированного угля, состоящий из грузоподъемного механизма с устройством опорожнения биг-бэгов и бункера для хранения сухого продукта, называемого силосом, объемом 15 м3. Силос оборудован системой пневматической перекачки угля. Для предотвращения слеживания активированного угля, через форсунки от компрессора подавался сжатый воздух в нижнюю часть силоса для постоянного встряхивания. Избыточный воздух стравливался через фильтр-клапан на силосе. Все оборудование блока изготовлено во взрывозащищенном исполнении.
- Блок приготовления и дозирования установленный в контейнере общим размером (Д х Ш х В) 6200 х 4000 х 4400 мм с системой отопления, вентиляции и кондиционирования. Из силоса шнековым транспортером-дозатором уголь подавался в емкость рабочего раствора, туда же подавалась вода для приготовления угольной пульпы заданной концентрации. Далее угольная пульпа подавалась на насосы-дозаторы для подачи в обрабатываемую воду.
В процессе долговременной эксплуатации системы приготовления и дозирования пульпы ПАУ был выявлен ряд существенных конструктивных и технологических недостатков. В условиях повышенной влажности ПАУ слеживается и комкуется, что приводит к регулярному нарушению эксплуатационной пригодности системы встряхивания и подачи ПАУ в емкость приготовления рабочего раствора угольной пульпы.
Поскольку порошкообразные сорбенты, как правило, расфасованы и транспортируются в мешках, то процесс ручной выгрузки из мешков и последующей загрузки в емкости является очень трудоемким и длительным. Кроме того угольная пыль, образующаяся при разгрузке ПАУ, создает экологическую опасность загрязнения окружающей среды, а также вредность для здоровья персонала.
В процессе эксплуатации происходит нарушение целостности конструкции силоса, предназначенного для временного хранения и перегрузки сорбента, образуются сквозные отверстия вследствие коррозии металла.
При встряхивании ПАУ с помощью сжатого воздуха происходит трение между частицами угля, приводящее к возникновению статического электричества. Частицы ПАУ приобретают электрический заряд. При контакте частиц с материалом силоса образуется гальваническая пара, вызывающая электрохимическую коррозию. Существующий процесс приготовления рабочего раствора активированного угля технологически не является оптимальным в связи с применением для затворения активированного угля холодной воды и отсутствием в составе используемой технологии периода для замачивания сухого ПАУ. При таком подходе не достигается полное удаление воздуха из микропор активированного угля, что снижает его сорбционную емкость по отношению к специфическим органическим загрязняющим веществам.
Кроме этого, необходимо было изменить ряд технических решений подобранных конкретно для объекта Главной водопроводной станции (ГВС). Необходимо было перенести и оптимизировать точки ввода реагента с возможностью отдельного дозирования активированного угля на сооружения одноступенчатой очистки.
На ГВС в 2017 году выполнена модернизация Системы хранения, приготовления и дозирования ПАУ, которая изменила принципиальное решение в части разгрузки и хранения ПАУ и приготовления рабочего раствора угольной пульпы на площадке водозаборных сооружений.
В основу технических решений по модернизации лег опыт МУП «Водоканал г. Череповца», где впервые совместно с НПО ЛИТ был применен метод приготовления угольной суспензии с использованием горячей воды и обеспечено «мокрое» хранение концентрированного раствора угольной пульпы.
Решение вопроса подачи сорбента на оба блока очистных сооружений обеспечило устройство станции приготовления и дозирования ПАУ в мокрое отделение насосной станции первого подъема ГВС с целью повышения качества очистки воды.
В качестве базового элемента системы предусматривается использование специализированного технологического модуля контейнерного типа (далее – СТЗК) заводского изготовления производства НПО «ЛИТ» (г. Москва). Модуль состоит из цистерны, выполненной на основе коррозионно-стойкого материала, закрепленной в жестком каркасе и снабженной люками с крышками. Конструкция СТЗК имеет автономную систему отопления и предназначена для размещения на открытом воздухе. В конструкции оборудования предусмотрена автоматизированная система обогрева. Загрузка сорбента в технологический модуль осуществляется через загрузочный люк. В конструкции контейнера для растаривания предусмотрено специальное устройство механического действия с пневматическим приводом, снабженное специальной системой обеспыливания, состоящей из двух стояков и соединенных в контур труб. В трубах предусмотрены специальные форсунки для подавления пыли напротив разгрузочных люков.
Внутри цистерны также расположены: система барботажа, система гидравлического перемешивания и смыва, а также система водонагревателей (емкостной и проточные водонагреватели). Система барботажа расположена в нижней части модуля и состоит из горизонтально и вертикально расположенных участков труб с отверстиями. Система гидравлического перемешивания и смыва предназначена как для промывки модуля, так и для «взмучивания» застойных зон, образующихся после длительного простоя модуля. Наличие внутри цистерны систем, обеспечивающих равномерное перемешивание и смачивание ПАУ, позволяет эффективно подготовить сорбент для получения рабочего раствора.
Для приготовления 10% раствора ПАУ предварительно в контейнер заливается 3,0 м3 горячей воды из емкостного водонагревателя (температура воды должна составлять 50–60 градусов Цельсия). Далее осуществляется загрузка сорбента консольным краном через верхние загрузочные люки контейнеров СТКЗ. Люки открываются, осуществляется загрузка биг-бэга, затем крышка контейнера закрывается и с помощью пневматического ножа производится вскрытие биг-бэга. Механизмы СТКЗ при этом работают за счет действия сжатого воздуха из подсистемы компрессоров. Контейнер окончательно заполняется водой от проточных водонагревателей. С целью предотвращения оседания ПАУ из раствора применяется перемешивание раствора сжатым воздухом из системы воздуходувок.
Подогрев воды позволяет эффективно удалять воздух из микропор угля, что повышает его сорбционные характеристики, а также увеличивать краевой угол смачивания частиц угля водой (а это приводит к улучшению процесса транспортировки пульпы по реагентопроводу).
Концентрация угольной пульпы зависит от дальнейшей технологической цепочки системы и может быть в пределах от 10 до 30%. На ГВС дозируется 10% раствор угольной пульпы прямо из специализированного контейнера. При необходимости может осуществляться выгрузка пульпы из контейнера в рабочую емкость для приготовления рабочего раствора меньшей концентрации для системы дозирования ПАУ.
Модернизация сооружений позволила исключить:
- неоптимальные точки ввода реагента, отсутствие возможности подавать порошок на сооружения одноступенчатой очистки;
- большие трудозатраты при загрузке ПАУ в емкость для хранения;
- разрушение силоса вследствие повышенной коррозионной активности ПАУ;
- ограничения по выбору дозы реагента;
- невозможность применения реагента с повышенной влажностью.
Методы объективного контроля
Организация онлайн контроля по набору показателей, в наибольшей степени отражающих содержание характерных и специфических загрязнений, позволяет оперативно изменять параметры работы технологического оборудования, в том числе в автоматическом режиме, и ведет к снижению рисков производства и реализации некачественной воды.
Эффективная доза ПАУ при извлечении нехарактерных для поверхностных водоисточников органических веществ, таких как нефтепродукты, микроцистины, вещества-одоранты, может быть определена на основе результатов онлайн контроля комплекса показателей, доступных для измерения с высокой чувствительностью и точностью. В частности, сюда следует отнести контроль в исходной и очищенной воде, в дополнение к традиционным мутности и цветности, прямых показателей органической загрязненности – общего и растворенного органического углерода (ООУ и РОУ), а также косвенных показателей, например, спектральной абсорбции UV254 или виртуальных показателей, создаваемых на основе измеренных величин. Так, онлайн измерения поглощения УФ-излучения при длине волны 238 нм могут использоваться для скринингового определения основной хромофорной группы микротоксинов (системы сопряженных двойных связей в аминокислотном остатке Adda).
В качестве примера подобных методов оценки эффективности извлечения органических загрязнений может служить уже принятый и рекомендуемый для нормирования в ряде стран мира показатель SUVA254 (Specific UV Absorption at 254nm) – соотношение
величины спектральной абсорбции UV254 нм и растворенного органического углерода. По величине показателя судят о вероятности образования в процессе хлорирования воды тригалогенметанов (ТГН) – опасных хлорорганических соединений [7].
Онлайн контроль на базе проточных спектрофотометров spectro::lyser осуществляется на всех водозаборах водопроводных станций по показателям: мутность, цветность, ООУ, РОУ, BTX индекс (бензол-толуол-ксилол), «отпечаток спектра», что позволяет идентифицировать характерные и специфические для р.Невы органические загрязнения.
Выводы
1. Установлена высокая эффективность сорбционного метода очистки воды в отношении удаления токсичных органических веществ, присутствующих в микро- и наноконцентрациях (вещества-одоранты, метаболиты цианобактерий и т.п.).
2. Выполненные мероприятия по модернизации сооружений приема, приготовления и дозирования порошкообразного угля на Главной водопроводной станции ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» обеспечили повышение эффективности как непосредственно сорбционной технологии, так и в части оптимизации производственных затрат.
3. Методы объективного онлайн контроля качества воды водоисточника и очищенной воды по расширенному перечню показателей, включающих различные формы органического углерода, являются перспективным направлением в области совершенствования управления производственными процессами, направленными на извлечение органических загрязнений.
4. По итогам апробации модернизированной системы руководством предприятия принято решение об усовершенствовании сооружений сорбции на 4-х водопроводных станциях водоподготовки в системе водоснабжения Санкт-Петербурга.
Литература
1. Davis T.W., Berry D. L., BoyerG. L., Gobler C. J. The effects of temperature and nutrients on the growth and dynamics of toxic and non-toxic strains of Microcystis during cyanobacteria blooms // Harmful Algae. 2009. Vol. 8. P. 715–725.
2. Falconer I. R., Humpage A. R. Health risk assessment of cyanobacterial (blee-green algae) toxins in drinking water // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2005. Vol. 2, N 1. P. 43–50.
3. Чернова Е.Н., Русских Я.В., Жаковская З.А. Токсичные метаболиты сине-зеленых водорослей и методы их определения // Вестник СПбГУ. Физика и химия. 2017. Т. 4 (62). Вып. 4. C. 440–473.
4. Викторовский И.В., Березкин В.И. Отчет о НИР по теме «Определение эффективности удаления одорантов, нефтепродуктов и снижения пермаганатной окисляемости сырой воды водопроводных станций путем дозирования порошкообразных активированных углей (ПАУ), определение оптимальных типов ПАУ и условий их использования». СПб, 2006 – 27 с.
5. Жаковская З.А., Березкин В.И. Отчет о НИР по теме «Исследование качественных показателей ПАУ, рекомендованных для использования в технологических процессах подготовки питьевой воды на водопроводных станциях Санкт-Петербурга». СПб, 2007 – 33 с.
6. Викторовский И.В., Жаковская З.А., Русских Я.В. Отчет о НИР по теме «Хромато-масс-спектрометрическое исследование микропримесей природных вод – потенциальных источников запаха воды и выяснение причин их появления; изучение ионных форм существования железа и марганца в подземных водах». СПб, 2004 – 39 с.
7. US EPA: (2012). Drinking Water guidance on Disinfection by-products (US EPA). Advice Note No. 4. Version 2. Disinfection By-Products in Drinking Water.
Изучение опыта применения ПАУ на сооружениях МУП Водоканал г. Череповец
С 2010 года на станции успешно внедрена технология сорбционной обработки воды порошкообразным активированным углем (ПАУ), чтобы повысить эффективность удаления запахов и привкусов во время массового цветения воды р. Шексны – поверхностного водоисточника г. Череповца.
В рабочую емкость №1 засыпают ПАУ и заливают водой с температурой 60–70°С для обеспечения концентрации около 30% с последующим барбатажом. Барбатаж осуществляется постоянно. Активность раствора сохраняется в течение 2-х недель, контролируется лабораторий.
Из рабочей емкости №1 30% раствор ПАУ с помощью эжектора перекачивается в рабочую емкость №2, где раствор 30% разбавляется до 10%.
Из рабочей емкости №2 10% раствор ПАУ подается в расходную емкость, где готовится 1% рабочий раствор ПАУ, который дозируется с заданной дозой.
Система применения порошкообразного угля Главной Водопроводной станции – после модернизации
В систему разгрузки и хранения ПАУ входят:
специализированные модули контейнерного типа для приготовления и хранения 10% раствора ПАУ;
подсистема водонагрева (емкостной и проточные водонагреватели);
подсистема компрессоров для приведения в действие ножа для разрезания биг-бэга (компрессор поршневой);
подсистема воздуходувок для обеспечения постоянного перемешивания раствора пульпы (компрессор водокольцевой)
Система применения порошкообразного угля Главной Водопроводной станции – после модернизации (узел приготовления)
В Специализированные модульные контейнеры загружается биг-бэг с ПАУ с помощью загрузочного механизма через загрузочные бункера.
Внутри контейнера мешок вспарывается. Имеются системы пылеподавления и гидросмыва.
Из бункера извлекается пустой биг-бэг и перекладывается в заранее приготовленный мусорный контейнер для дальнейшей утилизации.
Активированный уголь затворяется горячей водой.
Концентрация угольной пульпы может быть в пределах 10–30%.
Для перемешивания угольной пульпы постоянно работает система барботажа.
